Cómo calcular un generador eólico: fórmulas + ejemplo práctico de cálculo

La energía alternativa recibida de las turbinas eólicas es de gran interés para la sociedad. Hay muchas confirmaciones de esto en el nivel de la práctica doméstica real.

Los propietarios de bienes raíces suburbanos construyen molinos de viento con sus propias manos y están contentos con el resultado, aunque el efecto puede ser de corta duración. La razón: durante el montaje, el generador eólico no se calculó correctamente.

De acuerdo, no me gustaría gastar tiempo y dinero en el proyecto, para obtener una instalación ineficiente. Por lo tanto, es importante entender cómo calcular el generador eólico y por qué parámetros elegir las principales unidades de trabajo de la turbina eólica.

El artículo está dedicado a la solución de estas preguntas. La parte teórica del material se complementa con ejemplos ilustrativos y recomendaciones prácticas para ensamblar un generador eólico.

Cálculo de un generador eólico.

¿Dónde comenzar a calcular el sistema de reproducción de electricidad a partir de la energía eólica? Teniendo en cuenta que estamos hablando de un generador eólico, un análisis preliminar de la rosa de los vientos en un área en particular parece lógico.

Los parámetros de diseño como la velocidad del viento y su dirección característica para un territorio dado son parámetros de diseño importantes. Hasta cierto punto, determinan el nivel de potencia del molino de viento, que será alcanzable.

Es difícil imaginar generadores eólicos de tal potencia. Pero existen diseños similares y funcionan de manera efectiva. Sin embargo, los cálculos de tales estructuras muestran una potencia relativamente pequeña en comparación con las fuentes de energía tradicionales.

Lo que es notable, este proceso es de naturaleza a largo plazo (al menos 1 mes), lo cual es bastante obvio. Es imposible calcular los parámetros más probables de la velocidad del viento y su dirección más frecuente con una o dos mediciones.

Se requerirán docenas de mediciones. Sin embargo, esta operación es realmente necesaria si existe el deseo de construir un sistema productivo efectivo.

Como calcular la potencia de un molino de viento

Los generadores eólicos domésticos, especialmente aquellos hechos con sus propias manos, aún no han tenido que sorprender a las personas con alta potencia. Es entendible. Uno solo tiene que imaginar un mástil masivo de 8-10 m de altura, equipado con un generador con un tramo de palas de hélice de más de 3 m. Y esta no es la instalación más poderosa. Solo alrededor de 2 kW.

Para dar servicio a los molinos de viento de tal potencia, se utilizan helicópteros y equipos de especialistas, que suman una docena de personas. Para calcular dicha planta de energía, se involucra un número aún mayor de artistas

En general, si confía en una tabla estándar que muestra la relación de la potencia del generador eólico y el alcance requerido de las palas del rotor, no hay nada que sorprender. Según la tabla, se requiere una hélice de 10 metros para un molino de viento de 10 W.

Se necesitará un tornillo con un diámetro de 14 m para un diseño de 500 W. Además, el parámetro de alcance de la cuchilla depende de su número. Cuantas más cuchillas, menor es el alcance.

Pero esto es solo una teoría, debido a que la velocidad del viento no supera los 4 m / s. En la práctica, todo es algo diferente, y la potencia de las instalaciones domésticas que han estado en vigor durante mucho tiempo nunca ha excedido los 500 vatios.

Por lo tanto, la elección de potencia aquí generalmente se limita al rango de 250-500 W con una velocidad media del viento de 6-8 m / s.

Tabla de la dependencia de la potencia del sistema de energía eólica en el diámetro del rotor y el número de palas. Esta tabla puede usarse para cálculos, pero teniendo en cuenta su compilación para un parámetro de velocidad del viento de hasta 4 m / s (+)

Desde un punto de vista teórico, la potencia de una estación de energía eólica se calcula mediante la fórmula:

N = p * S * V³/2,

donde:

• p - densidad de masas de aire;
• S - área total soplada de las palas de la hélice;
• V - caudal de aire;
• N - caudal de aire.

Como N es un parámetro que afecta dramáticamente la potencia del generador eólico, la potencia real de la instalación estará cerca del valor calculado de N.

Cálculo de tornillos de aerogeneradores.

Al diseñar un molino de viento, generalmente se utilizan dos tipos de tornillos:

• alado - rotación en el plano horizontal;
• Rotor Savonius, rotor Daria - rotación en un plano vertical.

El diseño de los tornillos con rotación en cualquiera de los planos se puede calcular utilizando la fórmula:

Z = L * W / 60 / V

donde:

• Z - el grado de velocidad (baja velocidad) del tornillo;
• L - el tamaño de la longitud descrita por las aspas del círculo;
• W - velocidad (frecuencia) de rotación del tornillo;
• V - caudal de aire.

Basado en esta fórmula, uno puede calcular fácilmente el número de revoluciones W - la velocidad de rotación.

Este es el diseño del tornillo llamado "Daria Rotor". Esta versión de la hélice se considera efectiva en la fabricación de generadores eólicos de pequeña potencia y tamaño. El cálculo del tornillo tiene algunas características.

Puede encontrar una relación de trabajo de revoluciones y velocidad del viento en las tablas que están disponibles en la red. Por ejemplo, para un tornillo con dos cuchillas y Z = 5, la siguiente relación es verdadera:

También uno de los indicadores importantes de un accesorio de turbina eólica es un paso.

Este parámetro se puede determinar usando la fórmula:

H = 2πR * tan α,

donde:

• 2π - constante (2 * 3.14);
• R - el radio descrito por la cuchilla;
• tg α - ángulo de sección.

Se proporciona información adicional sobre la elección de la forma y el número de cuchillas, así como instrucciones para su fabricación en este articulo.

Selección de generadores para molinos de viento.

Teniendo el valor calculado de la velocidad de rotación del tornillo (W) obtenido por el método anterior, ya es posible seleccionar (hacer) el generador correspondiente.

Por ejemplo, cuando el grado de velocidad Z = 5, el número de cuchillas es igual a 2 y una velocidad de 330 rpm. A una velocidad del viento de 8 m / s. La potencia del generador debe ser de aproximadamente 300 vatios.

Generador de una instalación de energía eólica "en sección".Un ejemplo representativo de uno de los posibles diseños de un generador de un sistema de energía eólica doméstica, ensamblado independientemente

Con estos parámetros, el motor que se utiliza en la construcción de bicicletas eléctricas modernas puede ser una opción adecuada como generador para un parque eólico doméstico. El nombre tradicional de la pieza es un motor de ciclo (producción de la RPC).

Parece un motor de ciclo eléctrico, en base al cual se propone hacer un generador para una turbina eólica doméstica. El diseño del motor de ciclo es ideal para la implementación, prácticamente sin cálculos ni mejoras. Sin embargo, su poder es pequeño.

Las características del motor de ciclo eléctrico son aproximadamente las siguientes:

Una característica positiva de los motores de ciclo es que prácticamente no necesitan ser rehechos. Fueron desarrollados de forma constructiva como motores eléctricos de baja velocidad y pueden utilizarse con éxito para generadores eólicos.

Para hacer un molino de viento, puedes usar generador de coche o recoger unidad de lavadora.

Cálculo y elección del controlador de carga.

Se requiere un controlador de carga de la batería para cualquier tipo de instalación de energía eólica, incluida una construcción doméstica.

El cálculo de este dispositivo se reduce a la selección del circuito eléctrico del dispositivo, que correspondería a los parámetros calculados del sistema eólico.

De estos parámetros, los principales son:

• voltaje nominal y máximo del generador;
• la potencia máxima posible del generador;
• corriente de carga de batería máxima posible;
• voltaje de la batería;
• temperatura ambiente
• nivel de humedad ambiental.

En base a los parámetros presentados, conjunto de controlador de carga hágalo usted mismo o la selección de un dispositivo terminado.

Controlador de carga de batería utilizado como parte de una planta de energía eólica. Un dispositivo de fabricación industrial, que elige el que solo necesita estudiar cuidadosamente las especificaciones técnicas para una coordinación exacta con el sistema existente

Por supuesto, es deseable seleccionar (o ensamblar) un dispositivo cuya circuitería proporcione una función de inicio fácil en el flujo de flujos de aire débiles. Un controlador diseñado para usar con baterías de diferentes voltajes (12, 24, 48 voltios) también es bienvenido.

Finalmente, al calcular (seleccionar) el circuito del controlador, se recomienda no olvidar la presencia de una función como el control del inversor.

Selección de batería para el sistema

En la práctica, se utilizan diferentes tipos de baterías y casi todas son bastante adecuadas para su uso como parte de un sistema de energía eólica. Pero la elección concreta tendrá que hacerse de todos modos. Dependiendo de los parámetros del sistema del molino de viento, la selección de la batería se realiza de acuerdo con el voltaje, la capacidad y las condiciones de carga.

Los componentes clásicos para molinos de viento domésticos se consideran baterías de plomo ácido clásicas. Mostraron buenos resultados en un sentido práctico. Además, el costo de este tipo de batería es más aceptable en comparación con otros tipos.

Las baterías de plomo-ácido son especialmente modestas para las condiciones de carga / descarga, pero es inaceptable incluirlas en el sistema sin un controlador.

Si hay un controlador de carga hecho profesionalmente en el grupo electrógeno eólico que tiene un sistema de automatización completo, parece racional usar baterías AGM o de helio.

Paquete de baterías de generador eólico doméstico. No es la mejor opción, dado el caos de los cables y los requisitos de almacenamiento. Con este estado de almacenamiento de energía, uno no puede contar con su efecto a largo plazo.

Ambos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía se caracterizan por una mayor eficiencia y una larga vida útil, pero tienen altos requisitos para las condiciones de carga.

Lo mismo se aplica a las llamadas baterías blindadas de tipo helio. Pero la elección de estas baterías para un molino de viento doméstico está significativamente limitada por el precio. Sin embargo, la vida útil de estas costosas baterías es la más larga en relación con todos los demás tipos.

Estas baterías también se distinguen por un ciclo de carga / descarga más significativo, pero están sujetas al uso de un cargador de alta calidad.

Cálculo del inversor para una turbina eólica doméstica

Debe tenerse en cuenta de inmediato: si el diseño de una turbina eólica de energía doméstica contiene una batería de 12 voltios, tiene sentido colocar un inversor en dicho sistema por completo.

En promedio, el consumo de energía del hogar es de al menos 4 kW en las cargas máximas. De ahí la conclusión: el número de baterías para dicha potencia debe ser de al menos 10 piezas y preferiblemente bajo un voltaje de 24 voltios. Para tal cantidad de baterías, ya tiene sentido instalar un inversor.

Sin embargo, para proporcionar energía completa a 10 baterías con un voltaje de 24 W cada una y mantener estable su carga, se requerirá una turbina eólica con una potencia de al menos 2-3 kW. Obviamente, para diseños domésticos simples, tal poder no puede ser extraído.

Un pequeño inversor de potencia (600 W) que se puede utilizar para una instalación de energía doméstica pequeña. Puede alimentar un televisor o un refrigerador pequeño desde dicho equipo con un voltaje de 220 voltios. No hay suficiente corriente para las lámparas en el candelabro

Sin embargo, la potencia del inversor se puede calcular de la siguiente manera:

1. Resumir el poder de todos los consumidores.
2. Determinar el tiempo de consumo.
3. Determinar la carga máxima.

Para un ejemplo concreto, se verá así.

Deje que haya electrodomésticos como carga: lámparas de iluminación - 3 piezas. 40 W cada uno, receptor de televisión - 120 W, refrigerador compacto 200 W. Resumimos la potencia: 3 * 40 + 120 + 200 y obtenemos 440 vatios de salida.

Determinamos el poder de los consumidores durante un período de tiempo promedio de 4 horas: 440 * 4 = 1760 vatios. Según el valor de potencia obtenido según el tiempo de consumo, parece lógico seleccionar un inversor de entre dichos dispositivos con una potencia de salida de 2 kW.

En base a este valor, se calcula la característica de voltaje de corriente del dispositivo requerido: 2000 * 0.6 = 1200 V / A.

El esquema clásico de reproducción y distribución de energía recibida de un generador eólico de tipo doméstico. Sin embargo, para proporcionar energía a largo plazo con tantos dispositivos, se necesita una instalación suficientemente potente (+)

En realidad, la carga de un hogar para una familia de tres personas, donde hay equipos completos para electrodomésticos, será mayor que la calculada en el ejemplo. Por lo general, en términos de tiempo de conexión de carga, el parámetro excede las 4 horas tomadas. En consecuencia, el inversor del sistema de energía eólica requerirá uno más potente.

El cálculo preliminar del molino de viento es útil no solo para su montaje independiente. Es necesario determinar los parámetros óptimos cuando elegir un generador eólico terminado.

Conclusiones y video útil sobre el tema.

En el video se presenta el análisis de los datos de origen y cómo se aplican las fórmulas:

Es necesario utilizar los datos calculados en cualquier caso. Ya sea una planta de energía industrial o fabricada para condiciones de vida, el cálculo de cada nodo siempre conlleva la máxima eficiencia del dispositivo y, lo más importante, la seguridad de la operación.

Los cálculos realizados previamente determinan la viabilidad del proyecto, ayudan a establecer qué tan costoso o económico es el proyecto.

¿Tiene experiencia en resolver tales problemas? ¿O tienes preguntas sobre el tema? Comparta sus habilidades para calcular y diseñar un generador eólico. Puede dejar comentarios y hacer preguntas en el siguiente formulario.